如何强制C++的constexpr函数仅在编译期运行？

问题背景 #

constexpr函数可以在编译期或运行期执行，有没有办法强制它只能在编译期执行？以下是遇到问题的示例代码及编译错误：

示例代码1 #

constexpr int BUILD(int i)
{
    static_assert(0 == i);
    i++;
    return i;
}

enum Events
{
    FIRST = BUILD(0)
};

编译错误 #

Error[Pe028]: expression must have a constant value

补充示例（说明需求场景） #

constexpr int BUILD(int a, int b, int c, int d)
{
    static_assert(a < b);
    static_assert(b < c);
    static_assert(c < d);
    static_assert(d < 10);
    return a+b+c+d;
}

enum Events
{
    FIRST = BUILD(0, 4, 6, 9),   // 手动定义参数
    SECOND = BUILD(2, 3, 7, 8),
    THIRD = BUILD(0, 1, 2, 3),
};

解决方案 #

方案1：使用C++20的consteval关键字 #

C++20引入了consteval关键字，用它声明的函数必须在编译期求值，运行期调用会直接报错。修改示例代码如下：

consteval int BUILD(int i)
{
    static_assert(0 == i);
    i++;
    return i;
}

enum Events
{
    FIRST = BUILD(0)
};

对于多参数的补充示例，同样替换constexpr为consteval即可：

consteval int BUILD(int a, int b, int c, int d)
{
    static_assert(a < b);
    static_assert(b < c);
    static_assert(c < d);
    static_assert(d < 10);
    return a+b+c+d;
}

enum Events
{
    FIRST = BUILD(0, 4, 6, 9),
    SECOND = BUILD(2, 3, 7, 8),
    THIRD = BUILD(0, 1, 2, 3),
};

方案2：兼容C++11/14/17的模板参数方案 #

如果需要兼容旧标准，可以将函数参数改为模板非类型参数，这样参数本身就是编译期常量，强制函数只能在编译期执行：

单参数示例修改：

template<int i>
constexpr int BUILD()
{
    static_assert(0 == i);
    return i + 1;
}

enum Events
{
    FIRST = BUILD<0>()
};

多参数示例修改：

template<int a, int b, int c, int d>
constexpr int BUILD()
{
    static_assert(a < b);
    static_assert(b < c);
    static_assert(c < d);
    static_assert(d < 10);
    return a + b + c + d;
}

enum Events
{
    FIRST = BUILD<0, 4, 6, 9>(),
    SECOND = BUILD<2, 3, 7, 8>(),
    THIRD = BUILD<0, 1, 2, 3>(),
};

原代码报错原因 #

在C++20之前，constexpr函数中的static_assert不能依赖普通函数形参——因为编译器无法保证调用时传入的是常量表达式，static_assert作为编译期断言，无法对运行期可能变化的参数进行检查。而consteval强制所有实参必须是常量表达式，模板非类型参数本身就是编译期常量，这两种方式都能让static_assert正常生效，同时强制函数仅在编译期执行。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ronen333